Biologia szkoła ponadgimnazjalna/Wykorzystanie badań DNA w nauce
Zagadnienie z podstawy programowej
„uczeń: podaje przykłady wykorzystania badań nad DNA (sądownictwo, medycyna, nauka);„
Biologia molekularna edytuj
Wiedza wykorzystywana przy genetycznym modyfikowaniu organizmów, wykrywaniu sprawców przestępstw, wykrywaniu chorób genetycznych pochodzi z badań naukowych. Nauka dostarcza rozwiązań wykorzystywanych następnie w różnych dziedzinach życia. Poznanie budowy DNA oraz mechanizmu syntezy białek doprowadziło do powstania nowej nauki – biologii molekularnej. Ten dział biologii zajmuje się badaniami na poziomie cząsteczek. Techniki opracowane przez biologów molekularnych okazały się użyteczne w innych dziedzinach nauk.
Badania genomów edytuj
Projekt poznania genomu człowieka, opisany wcześniej, był jednym z największych projektów badań DNA. Informacje u kolejności nukleotydów i rozmieszczeniu genów mogą być wykorzystywane nie tylko w medycynie. Badań prowadzących do poznania genomów różnych orgazmów przeprowadzono wiele. W kolejnych latach prawdopodobnie zostaną opisane genomy kolejnych gatunków. W 1976 roku poznano sekwencję nukleotydów bakteriofaga (wirusa bakteryjnego) MS2. W latach 90. XX wieku zbadane zostały genomy przykładowych organizmów należących do bakterii, grzybów, roślin i zwierząt. W badaniach z wykorzystaniem technik biologii molekularnej często wykorzystywane są organizmy modelowe, dla których dostępne są sekwencje nukleotydów oraz mapy genowe, czyli informacje o ułożeniu genów na chromosomach. Organizmem modelowym wśród bakterii jest pałeczka okrężnicy (Escherichia coli), dla grzybów drożdże, zwierząt muszka owocowa (Drosophila melanogaster), a dla roślin rzodkiewnik pospolity (Arabidopsis thaliana). Gatunków, których genom został poznany, jest zdecydowanie więcej. Dzięki znajomości genomu możliwe jest dokładne badanie fizjologii organizmów. Często do takich badań używane są organizmy z mutacją określonego genu. Pomimo tego, że zgodnie z tradycyjną definicją gen odpowiada za jedną cechę, konsekwencje mutacji w obrębie jednego genu mogą mieścić się między śmiercią organizmu a brakiem zmian w jego działaniu.
DNA a ewolucja organizmów edytuj
Dział biologii, który szczególnie szybko rozwija się w wyniku zastosowania badań DNA w badaniach nad ewolucją, nazywany jest filogenetyką. Dziedzina ta zajmuje się badaniem drogi rozwojowej organizmów, zarówno tych istniejących obecnie, jak i występujących w przeszłości. Przed zastosowaniem badań DNA pokrewieństwo organizmów określano na podstawie podobieństwa w budowie. Obecnie podstawą do określenia pokrewieństwa stały się badania DNA. Im więcej podobieństw w sekwencji nukleotydów, tym bliżej spokrewnione są badane gatunki. Zasada, że im dłużej grupy organizmów rozwijają się bez możliwości krzyżowania, tym więcej będzie różnic w ich DNA pozwala określić wspólnego przodka i okres w którym żył. Metoda opracowana w myśl podanej zasady została nazwana zegarem molekularnym. Metoda zegara molekularnego pozwala na tworzenie drzew filogenetycznych, czyli graficznej prezentacji pokrewieństwa poszczególnych gatunków i całych grup organizmów z określeniem miejsc i czasu kiedy rozdzielały się w wyniku ewolucji. Drzewa filogenetyczne mogą obejmować grupy gatunków, może też stworzyć drzewo filogenetyczne obejmujące wszystkie organizmy żyjące na Ziemi. W wyniku badań DNA drzewa filogenetyczne, które zostały opracowane na podstawie podobieństwa organizmów są weryfikowane i dość często konieczna jest ich korekta.
Ewolucja człowieka edytuj
Badania DNA okazały się przydatne w poznaniu ewolucji i pochodzenia gatunku ludzkiego. Danych do stworzenia wyjątkowej hipotezy dostarczyły badania mitochndrialnego DNA. W przeciwieństwie do genów jądra komórkowego geny w mitochondriach w całości są dziedziczone po matce. Mitochondria plemnika posiadają DNA, jednak nie jest ono przekazywane potomstwu. Na podstawie analizy mitochondrialnego DNA pobranego od kobiet z różnych ras, żyjących na różnych kontynentach powstała hipoteza mitochondrialnej Ewy. Wszyscy ludzie współcześnie żyjący pochodzą od jednej kobiety, żyjącej około 140-280 tys. lat temu w Afryce. Podobne badania, przeprowadzone na DNA pochodzącym z chromosomu Y, który dziedziczony jest przez mężczyzn, wskazywały że mężczyzna będący wspólnym przodkiem wszystkich współcześnie żyjących żył około 60 tys. lat temu. W kolejnych badaniach skorygowano czas występowania wspólnego przodka na około 142 tys. lat temu. Mitochondrialna Ewa oraz Y-chromosomowy Adam mogli żyć w tym samym okresie. Badania DNA zostały wykorzystane do określenia pokrewieństwa człowieka rozumnego (Homo sapiens) i człowieka neandertalskiego. Neandertalczyk jest według różnych naukowców klasyfikowany jako podgatunek człowiek rozumnego lub jako oddzielny gatunek. Badania DNA ze szczątków kopalnych pozwoliły porównać geny neandertalczyka i ludzi żyjących obecnie. Porównanie mitochondrialnego DNA wyklucza możliwość krzyżowania się człowiek rozumnego i neandertalczyka. Prowadzi to do wniosku, że są to dwa oddzielenie gatunki. Instytut Maxa Planca w Niemczech realizuje projekt badania genomu neandertalczyka. Dzięki próbkom z wielu szczątków kopalnych genom wymarłego gatunku został poznany w 70%. Podobieństwo genomów obu gatunków naukowcy określili na co najmniej 99,5%. Nie znaleziono dowodów na krzyżowanie się męskich osobników człowieka współczesnego i kobiet neandertalskich. Część dowodów wskazuje na możliwość krzyżowania się męskich osobników neandertalczyków z kobietami człowieka współczesnego.
Badania gatunków wymarłych edytuj
Badania nad DNA ze szczątków kopalnych to nie tylko ustalanie pokrewieństwa. Szacuje się, że DNA jest w stanie przetrwać około 1 miliona lat. Materiał genetyczny ulega stopniowemu niszczeniu. W większości przypadków jest możliwe poznanie tylko jego fragmentów. Pomimo to prowadzone są liczne badania DNA organizmów występujących w przeszłości. Wyniki badań mogą być wykorzystywane zarówno przez biologów, jak i archeologów, dostarczać informacji o uprawianych przed tysiącami lat roślinach lub patogenach, które były przyczyną chorób naszych przodków.
Wymarłym zwierzęciem, którego liczne szczątki kopalne pozwoliły na przeprowadzenie dokładnych badań genetycznych jest mamut włochaty. W 2008 roku naukowcy ustalili sekwencję nukleotydów genomu tego gatunku. Spośród obecnie występujących gatunków największe podobieństwo genetyczne wykazuje słoń indyjskich. Próbę odtworzenie wymarłego gatunku podjęli naukowcy Uniwersytetu w Kioto w roku 2011. Czy badania zakończa się sukcesem, jeszcze nie wiadomo.
Pamiętaj edytuj
- Genom wielu gatunków został dokładnie poznany.
- Znajomość kompletnego genomu pozwala prowadzić dokładne badania nad metabolizmem organizmów.
- Porównywanie DNA gatunków współczesnych pozwala określić pokrewieństwo i czas, w którym powstały w wyniku ewolucji.
- Badania DNA pozwalają poznać proces ewolucji człowieka.
- DNA ze szczątków kopalnych dostarcza danych przydanych biologom i archeologom..
Poprzez takie padania możliwa jest identyfikacja osób np. ustalenie rodzicielstwa, badanie pokrewieństwa, rozpoznanie osób zaginionych oraz identyfikacja zwłok i szczątków ludzkich.
Zadania edytuj
- Wyszukaj w mediach i Internecie informacje o tym genom jakich gatunków roślin i zwierząt został poznany w całości.
- Drzewo filogenetyczne wszystkich organizmów powinno mieć korzeń. Ostatni uniwersalny wspólny przodek to hipotetyczny organizm, od którego pochodzą wszystkie organizmy żyjące na Ziemi. Znajdź informacje jak mógł wyglądać taki przodek i kiedy występował na naszej planecie.
- Powstało wiele filmów, których twórcy przedstawiają odtworzone przez naukowców dinozaury. Na podstawie informacji z podręcznika oceń, czy jest możliwe odtworzenie dinozaurów, które szczątki pochodzą z przed 60 mln lat.